热障涂层的制备及其失效的研究现状
热障涂层的研究进展
热障涂层的研究进展随着现代工业的发展，高温材料的应用越来越广泛，如航空发动机、燃气涡轮等。
然而，高温环境下的材料容易发生氧化、腐蚀等问题，降低了材料的使用寿命和可靠性。
为了解决这一问题，人们引入了热障涂层技术，使其在高温工作环境中具有更优异的性能。
热障涂层是一种在金属表面涂覆陶瓷材料的技术，通过降低热通量的方式实现保护材料的目的。
它的特性包括良好的隔热性、抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨损性等，使其广泛应用于航空航天、石油、化工、冶金等行业。
近年来，研究人员对热障涂层的性能进行了深入的研究和探讨，取得了不俗的成果。
热障涂层材料的研究热障涂层材料的性能主要取决于表面涂层的结构和材料的选择。
目前，常见的热障涂层材料包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅等，其中以氧化铝涂层应用最为广泛。
研究人员通过对涂层材料的组织结构、化学成分等方面的研究，不断优化和提升热障涂层的性能。
例如，一些研究人员通过改变涂层中氧化铝和氧化锆的组成比例，制备了一种新型热障涂层材料。
实验结果表明，该涂层具有更好的耐热性能和耐磨性能，可以有效地提升高温材料的使用寿命。
另外，一些研究人员通过改变热障涂层中陶瓷颗粒的尺寸、形状等参数，探讨了不同参数对涂层性能的影响。
研究结果发现，涂层颗粒尺寸越大，涂层的热阻值越大；而颗粒形状则会对涂层磨损、断裂等性能产生影响。
热障涂层加工技术的研究由于热障涂层是一种高技术含量的涂层技术，其加工过程也十分关键。
研究人员对热障涂层加工技术进行了系统研究，探讨不同加工方法对涂层性能的影响，并提出了相应的改进方案。
例如，一些研究人员对热障涂层的喷涂工艺进行了优化，采用了高速火焰喷涂技术，实现了高效、节能的喷涂过程，同时提高了涂层质量和性能。
另外，研究人员还在热障涂层加工过程中引入了纳米材料，提高了涂层的性能和稳定性。
纳米材料具有较高的比表面积和活性，可以增加涂层的强度、硬度和耐磨性。
热障涂层应用领域的研究热障涂层技术的应用领域越来越广泛，涉及到航空、航天、汽车、船舶、石油、化工、冶金等多个领域。
热障涂层的研究现状与发展方向
从正方相向单斜相转变 ,伴随 3 %～5 %的体积膨胀 ,导致涂层 破坏 ,为延长涂层的使用寿命 , ZrO2 中需加入稳定剂 。20 世纪 60 年代用 MgO 和 CaO 作为稳定剂 ,后来发现以这两种氧化物 作为稳定剂的涂层组织稳定性不好 ,燃气的硫化作用使 MgO 和 CaO 从涂层中析出 ,降低了对 ZrO2 相的稳定作用 ,使涂层的 热循 环 寿 命 降 低 , 目 前 这 两 种 稳 定 剂 已 基 本 被 Y2 O3 所 替 代[6 ,7] 。Stecura 等对不同 Y2 O3 含量稳定的 ZrO2 陶瓷涂层的 热物性能进行了分析 ,结果表明在 Y2 O3 含量为 6 %～8 %时[8] , 陶瓷涂层抗热循环性能最好 ,寿命最长 。
据报道 ,目前美国几乎所有的陆用和船用燃气轮机都采用 了 TBCs ,每年约有 300t 氧化锆材料用在 TBCs 上 ,在未来 10 年中 TBCs 将达到 12 %的年增长率 ,其中在发动机部件中的年 增长率将达到 25 %[2] ,具有广阔的应用开发前景 。近年来 ,随 着航空燃气涡轮机向高流量比 、高推重比 、高进口温度方向发 展 ,燃烧室中的燃气温度和压力也不断提高 。目前 ,燃气温度已 接近 2000 K ,因此航空发动机涡轮叶片的合金材料上需喷涂热 障涂层以承受 1600 ℃以上的涡轮进口温度[4] 。实际应用的热 障涂层大多采用由陶瓷隔热表层和金属粘结底层组成的双层结 构 ,6 %～8 %氧化钇稳定的氧化锆 ( YSZ) 是目前使用最广泛的 陶瓷隔热表层材料 ,金属粘结底层主要为 MCrAl Y 合金 ,其中 M 代表 Ni 、Co 或 NiCo [5] 。由于 YSZ 热障涂层的长期使用温度 为 1200 ℃,超过 1200 ℃,相变加剧 ,易烧结 ,氧传导率高 ,过渡金 属易被氧化 ,导致涂层失效 ,已难以满足涡轮进口温度进一步提 高的需要 。
热障涂层的研究现状与发展方向
热障涂层的研究现状与发展方向热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是一种应用于高温环境下的保护材料，可有效隔热、降低热应力，提高材料的使用寿命和性能。
随着高温领域的不断发展和应用需求的增加，热障涂层的研究也取得了很大的进展。
本文将介绍热障涂层的研究现状和未来的发展方向。
研究现状：1.材料选择：目前，热障涂层常用的材料是陶瓷氧化物，如氧化锆（ZrO2）。
这是因为氧化锆具有良好的高温稳定性和热隔离性能。
同时，为了增加涂层的韧性，常常将氧化锆与其他材料进行复合，如氧化钇（Y2O3）、氧化钆（Gd2O3）等。
2.涂层制备技术：常用的涂层制备技术有等离子喷涂、磁控溅射、物理气相沉积等。
这些技术可以形成致密、均匀的涂层，并能够提供所需的性能。
3.高温性能：研究人员通过改变合金元素的含量和添加合金元素，来改善热障涂层的高温性能。
例如，钛合金元素的添加可以提高热障涂层的抗氧化和抗热腐蚀性能。
4.应用领域：热障涂层广泛应用于航空、能源、汽车等领域。
例如，用于航空发动机的热障涂层可以提高发动机的工作温度，提高燃烧效率，降低燃料消耗。
发展方向：1.纳米材料研究：纳米材料具有较高的比表面积和界面效应，可以提高热障涂层的热导率和热膨胀系数匹配性。
因此，研究者们正在探索利用纳米材料制备热障涂层，并研究其热性能。
2.多层涂层研究：多层热障涂层可以提供更好的隔热性能和更高的耐热性。
目前，研究人员正在研究不同层次和组分的多层涂层结构，以提高涂层的性能。
3.高温腐蚀性能研究：热障涂层在高温腐蚀环境中容易受损。
因此，研究者们正在研究改善热障涂层的高温腐蚀性能，以提高其使用寿命。
4.综合性能优化：除了热性能，热障涂层的机械性能、热膨胀系数匹配性、附着强度等都是重要的指标。
因此，未来的研究将更加注重综合性能的优化，以提高热障涂层的整体性能和可靠性。
总结：热障涂层作为一种重要的保护材料，在高温环境下担负着隔热和降低热应力的任务。
热障涂层的研究现状与进展
均 由结 合底 层材 料 和 陶 瓷 表层 材 料 组成 ， 且各 层 中
这 ２种 材料 的组 成 比呈 梯度 变 化 ， 种 梯 度 变化 的 这 涂 层 结构 可使金 属基 体 到陶瓷 工作 层 的热膨胀 系数 逐 渐 变化 。受热 时基 体 与工作 层 间的温 度梯度将 减 小 ， 而提 高 了涂层 的抗 热震性 能 。许 多研究 表 明 ： 从 采 用梯 度 Ｔ Ｂ 设计 ， 有效提 高涂 层 抗热 震性 能 ， Ｃ ｓ 能
件 可显 著提 高使 用温度 ， 延长使 用寿命 ， 高发 动 机 的效 率 。综述 了热 障涂层 的涂 层设 计 方 法 ， 别 比较 提 分 了等 离子 喷涂 、 激光 重熔 、 电子 束物 理 气相 沉 积 、 自蔓 延 高温 合 成 等 方法 制备 热 障涂 层 的特 点 ， 分析 了涂
ＴＢ ｓ的基 本 构 想 是 利 用 陶 瓷 材 料 具 有 高 熔 Ｃ 点 、 导热率 的特性 ， 此类 材料 以不 同的方 式涂 覆 低 将 于基体 金属 或其 它材 料 的 表 面 上 ， 可形 成 一 个 热 就
的屏 障层 。 目前 ， Ｃ ＴＢ ｓ根 据 不 同要 求 可设 计 成 双
维普资讯
热 障 涂层 的研 究现 状 与进展
刘 海 浪 ， 宝健 ， 永 丹 ， 丰 王 刘 闫
（ 西 理 工 大 学 材 料 与化 学工 程 学 院 ， 西 赣 州 ３ １ ０ ） 江 江 ４ ０ ０
摘 要 ： 热障涂层 一般 由金 属黏 结层 和具 有 低 热 导率 的 陶 瓷顶 层 组 成 ， 用 于 涡轮 发 动机 的热 端 部 应
隔热性好 的 陶瓷热保 护 功能层 组成 的“ 合 型” 属 层 金 陶瓷复合 涂层 系统＿ 。 主要 用来 降低 基体 的工 作 温 ２ ］ 度， 免受 高温 氧化 、 蚀 、 腐 磨损 。
热障涂层的研究现状与发展趋势
２ Ｉｓ ｔｔ ｏ Ｍｅ ｌｃ ｔ ａｓＢ ｉｎ ｅ ｅａＲ ｓａｃ ｓ ｔｔ ｏ ＭｉｉｇａｄＭｅ ｌ ｒｙ Ｂ ｉｎ ｏ ０ ４ Ｃ ｉａ ． ｔｕｅ ｆ ｔ ｌ ｅ ｌ ｅ ｉｇＧ ｎ ｒｌ ｅｅｒｈＩ ｔｕｅ ｆ ｎｎ ｔ ｌ ｇ ， ｅ ｉｇｌ０ ４ ， ｈｎ） ｎｉ ａ ｉ Ｍａ ｒ ， ｊ ｉ ｎｉ ｎ ａｕ ｊ
（ ． ｃ ｏ ｌ ｆ ｔｒ ｌ Ｓ ｉｎ ｅａ ｄＥｎ ｉｅ ｒｎ ， ｎｒｌ ｏ ｔ ｉｅ ｓ ｙ Ｃｈ ｎ ｓ ａ４１ ０ ３ Ｃｈｎ ； １ Ｓ ｈ ｏ ｅ ａｓ ｃｅ ｃ ｎ ｇｎ ｅ ｇ Ｃｅ ｔａ ｕｈＵｎｖ ｒｉ ， ａ ｇ ｈ ８ ， ｉａ ｏ Ｍａ ｉ ｉ Ｓ ｔ ０
ｍｅ ｈ ｎ ｓ ， ｉ ｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ａ ｌ ａ ｈ ｔ ｒ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｆ Ｃ． ｃａｉ ｍｓ ｌ ｅ ｐ ｅ ｉｔ ｓ ｆ ｏ ｗｅ ｌ ｓ ｅ ｆ ｕ ｅｄ ｖ ｌｐ ｎ ＴＢ ｔ ｕ ｏ Ｋｅ ｒ ￣ Ｚｒ ｅ ａ ｃ ｎ ｏ ｓＩ ｃ Ｌ ｌ ｏ ｔ ｇ ｔ ｅ ａ ａ ｒｅ ｏ ｔ ｇ ｔ ｅ ａ ｐ ａ ； ａ ｌｒ ｃ ａ ｉｍ ｙ ｗｏ ｄ ： ０２ ｒ ｍｉ ； ａ －ｔ ｔ ｒ ｄ ｃ ａ ｉ ； ｒ ｌ ｒｉｒｃ ａ ｉ ； ｒ ｌ ｒ ｙ ｆ ｉ ｅｍｅ ｈ ｓ ｃ ｎ ｕ ｌ ｅ ｎ ｈ ｍ ｂ ｎ ｈ ｍ ｓ ｕ ｎ
ｗｏ ｌ ｗｉ ｅ Ｗａ ｅ ｉｗｅ ，ｃ ｖ ｒ ｇ ＴＢＣ ｏ ｏ ｉ ｏ ｅ ｅ ｔ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｅ ｉｎ ｏ ｔ ｇ ｆ ｒ ｉｇ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ，ｆ ｉ ｒ ｒｄ ｄ Ｓ ｒ ｖ ｅ ｄ ｏ ｅ ｉ ｎ ｃ ｍｐ ｓ ｉ ｎ ｓ ｌ ｃｉ ，ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｄ ｓｇ ，ｃ ａｉ ｏ ｔ ｏ ｎ ｍ ｎ ｅｈ ｉｕ ｓ ａｌ ｅ ｕ
热障涂层材料Mg2SiO4的制备与性能研究
摘要镁橄榄石（Mg2SiO4）具有高温相稳定、较低的烧结速率和热导率、良好的机械性能等优点，是一种有潜力的热障涂层（Thermal Barrier Coatings）新材料。
本论文以Mg2SiO4为研究对象，通过XRD、TG-DSC、EDS等表征方法系统研究了其作为TBC材料的各项性能，通过APS技术制备了Mg2SiO4-TBCs，研究了涂层的热循环性能、失效机制等。
采用高温固相反应法在1873 K下合成Mg2SiO4。
Mg2SiO4具有良好的高温相稳定性、低导热系数（1.8 W/m·K，1273 K）和较高的热膨胀系数（8.6×10−6 K-1~11.3×10−6 K−1，473 K~1623 K）。
此外，还拥有良好的力学性能：Mg2SiO4的硬度值和断裂韧性分别为10 GPa和2.8MPa·m1/2。
Mg2SiO4在高温下的抗烧结性能优于先进热障涂层材料8YSZ、La2Zr2O7和SrCeO3等。
在1573 K下，对烧结后的Mg2SiO4和8YSZ陶瓷试样进行了水淬对比试验，结果表明，Mg2SiO4的热循环寿命为16次，约为8YSZ寿命的两倍。
利用APS技术成功制备无成分偏析的Mg2SiO4-TBCs。
在1273 K下，Mg2SiO4涂层的热循环寿命达830次，具有良好的抗热震性能。
较长热循环寿命的主要原因是Mg2SiO4较好的断裂韧性、抗烧结性能以及高温暴露下Mg2SiO4涂层的特殊组织演化，而涂层失效的主要原因是重结晶、热膨胀失配以及TGO与Mg2SiO4化学反应层的形成和增厚。
采用APS技术制备了基于Mg2SiO4/8YSZ的双陶瓷层（DCL）热障涂层体系的热障涂层。
研究了三种TBCs在1373 K下的热循环性能，结果表明：DCL 涂层的寿命是单层Mg2SiO4涂层寿命的43倍。
顶层Mg2SiO4陶瓷层具有良好的烧结能力和较低的导热系数，底层YSZ陶瓷层起到很好的应力缓冲效果，能够很大程度地延长涂层的热循环寿命。
热障涂层性能检测技术发展现状
热障涂层性能检测技术发展现状■ 文/马德隆 万德田 邱 岩 杜大艳 中国建材检验认证集团股份有限公司1 前言提升涡轮进口温度是提升航空发动机推重比的重要途径。
国内外研究表明，在维持其他条件不变的前提下，涡轮进口温度每升高50℃，可提升航空发动机推力7%～8%。
随着技术不断发展，当前最先进的涡扇航空发动机的涡轮进口温度已经超过1 900K，该温度远超常用高温合金材料的熔点。
因此，如何提升航空燃气涡轮发动机热端部件的耐高温性能成为航空发动机发展的焦点问题之一。
从20世纪50年代至今，国内外众多科研工作者针对这一问题开展了大量研究，最终形成了提高航空发动机涡轮叶片耐久性与可靠性的3大技术：高温合金等耐高温结构材料技术、高效气冷技术以及热障涂层技术。
热障涂层（T h e r m a l B a r r i e r Coatings，TBCs）是利用陶瓷材料低热导、耐高温、耐腐蚀等优越性能，将其以喷涂、沉积等多种方式附着于基体表面，从而提高基体材料的服役性能。
发展热障涂层技术，对缩小我国航空发动机与世界先进水平间的技术差距、实现跨代发展具有举足轻重的战略意义，同时对能源、航空、航天等领域也都有重大促进作用。
2 热障涂层性能检测技术研究意义对于热障涂层而言，涂层表面以及与基体界面性能的好坏直接决定构件整体性能的优劣，准确地涂层性能评价对于涂层构件服役安全可靠性具有重要的意义。
国内外曾多次报道，因航空发动机破坏而导致飞行器故障甚至坠毁的事故。
据相关机构报道，在我国发生的航空发动机事故中，80%以上都与发动机叶片失效紧密相关，而热障涂层的表面与界面失效破坏正是航空发动机涡轮叶片的主要破坏模式之一。
因此，准确评价热障涂层表面与界面性能对于保障航空发动机的服役安全可靠性具有十分重要的意义。
我国重视热障涂层的研究和发展，近几十年来在涂层制备工艺设计研究方面取得了显著的成果，中国科学院沈阳金属研究所、北京航空航天大学、武汉理工大学、西北工业大学等国内重点高校和科研院所等均在各代热障涂层工艺设计方面取得了突破，逐渐缩短了与国外的差距。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空器的重要组成部分，其性能直接影响到飞机的安全和经济性。
涡轮叶片作为航空发动机的重要组件之一，承受着高温和高速气流的冲击，对其表面进行热障涂层的研究成为了发展的热点之一。
本文将综述航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状，并对未来的研究方向进行展望。
二、背景在航空发动机中，高温气流是涡轮叶片面临的主要问题之一。
高温气流的冲击会导致涡轮叶片的热膨胀、氧化和烧蚀等问题，进而降低了发动机的性能和寿命。
为了解决这一问题，研究人员提出了热障涂层的概念。
三、热障涂层的种类热障涂层可以分为传统热障涂层和新型热障涂层两大类。
1. 传统热障涂层传统热障涂层主要包括YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) 和 GCO (Gadolinium Cerium Oxide) 等。
YSZ涂层被广泛应用于航空发动机中，具有优异的热障效果和氧化屏障性能。
GCO涂层相比于YSZ涂层，具有更好的机械和热损伤修复能力，但研究相对较少。
2. 新型热障涂层新型热障涂层主要包括二氧化铝涂层、钨合金涂层等。
经过改良的二氧化铝涂层具有更好的耐腐蚀性能和较低的热导率，但是其热障效果相对较差。
钨合金涂层则具有更好的高温性能和耐烧蚀能力，但是涂层的结构和制备工艺仍面临挑战。
四、热障涂层的制备工艺热障涂层的制备工艺对涂层性能的影响至关重要。
目前，常见的热障涂层制备工艺包括物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）、化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和高速火焰喷涂（High VelocityOxygen/Fuel，HVOF）等。
1. PVDPVD技术通过物理手段将材料从固态直接转变为气态，然后沉积到基底上。
PVD制备的热障涂层具有致密的结构、低孔隙率和较高的结合强度，但是制备成本较高。
2. CVDCVD技术是利用化学反应将气态前驱体沉积在基底上，形成热障涂层。
热障涂层的制备及其失效的研究现状
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表面强化及器件制造.Email:x ingyazhe@gm 热障涂层的制备及其失效的研究现状邢亚哲,郝建民(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064)摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。
回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。
关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atingsXING Ya 2zhe,HAO Jian 2min(School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China)Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail.K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying;Fa ilure mechanism随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。
热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展
粘结层分界面的应力。而且当址优先氧化完毕后，ＢＣ 层中的其他元素氧化形成大颗粒氧化物，出现了尖晶 石类的产物，如图５所示。加之ＴＧＯ膜加厚，产生较大 的应力。最终引起涂层失效，如图６所示。所以ＴＧＯ是 一把双刃剑，在ＴＢＣ服役初期起正作用，后期则是导致 涂层失效的根本原因¨９Ｊ。因此，抑制ＴＧＯ的生长是改 善ＴＢＣ疲劳性能、提高ＴＢＣ寿命的重要手段。
嚣匝
圈
图３ ＥＢ—ＰＶＤ沉积的热障涂层的破坏模式 ３ ＴＢＣ涂层系统失效机理研究
３．１ ＴＢＣ失效机理 虽然热障涂层的制备与研究已经有２０多年的历
史，然而无论是使用结果还是试验结果均表明，热障涂
万方数据
层过早剥落失效现象仍然存在。热障涂层剥落失效机 理主要有：①ＴＧＯ的形成是一个体积膨胀过程，因此形 成ＴＧＯ时会出现残余应力，冷却到环境温度时，应力会 进一步增大，导致涂层失效；②随着温度的改变，陶瓷 层会发生相变与烧结，增加涂层内的应力；③陶瓷烧结 过程会导致体积的显著变化和材料性能的改变，引起 平面压应力，产生垂直于分界面的裂纹；④陶瓷层自身 是多孔性介质。强度低，在温度和外载荷的交互作用 下，发生断裂、脱落；⑤基体与涂层的热膨胀行为不一 致，导致热梯度或温度梯度，进而产生内应力；⑥由于 涂层一基体两种物质的热膨胀系数不匹配及材料固有 性能上差别【ｌ ３．１４】，产生应力集中；⑦外力碰撞损伤，当 异物碰撞陶瓷层时，由于损伤可能导致ＴＢＣ剥落。然 而，近些年来，人们通过对长期高温氧化气氛中服役的 ＴＢＣ进行了分析。得出一个共同的观点¨卜１７１：ＴＧＯ是 热障涂层在长期高温氧化环境下引起涂层失效不可忽 视的关键因素，如图４所示。
ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。Ａｎａｈｅｉｍ，ＣＡ，１９９３．３６９－３７４．
［３］ＣｈａＩｌｇ Ｋ Ｃ，Ｗｅｒ ｗ Ｊ，Ｃｈｅｎ Ｃ．Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ
热障涂层制备方法的研究现状
当等离子射流中高速（600 -800 m/s）运动的 熔融或者半熔融粉体垂直撞向基底表面时，速 度瞬间降为0,同时在冷却系统的作用下，粉 体和基底温度迅速冷却，发生塑性变形，同时 粘结在基底表面，重复喷涂次数，直到达到要 求厚度。喷涂主要参数包括喷涂功率、送粉速 率、氢气速率、喷涂距离、工件温度。
大气等离子喷涂具有以下优点:大气等离 子喷涂制备的涂层孔隙率较高 ，呈层状结构， 隔热性能良好;大气等离子喷涂制备涂层的粉 体范围广泛，从低熔点的电解质到高熔点的氧 化错都可以进行大气等离子喷涂;设备采用智 能机器人控制，制备精度高，受外界条件影响 小；点火起弧较容易，电极寿命较长，使用性能 稳定。缺点是:对喷涂工件的尺寸及材质有一 定要求（工件内孔必须满足火焰和喷枪能正常 工作的最小距离），材质必须耐一定的工作温 度，对粉体材料的利用率不高。
2.2 电子束物理气相沉积
电子束物理气相沉积（EB -PVD）技术是 利用高能电子束加热陶瓷原料，使陶瓷原料以 气态原子的形式产生原子蒸气，然后沉积到基 底表面形成涂层⑼。EB - PVD制备的热障涂 层呈柱状结构，致密度高，可以通过调控电子 束能量密度来制备平缓过渡梯度涂层，涂层的 抗热震性能良好何。但是，其对工件的尺寸 有严格要求、设备昂贵、沉积效率低等限制了 其进一步地大规模应用。
热障涂层的研究现状及其制备技术
4 热障涂层材料
图 3 电子束物理气相沉积设备及工作原理简图 Fig 3 Structure system and work ing pr incip le of EB- PVD
电子枪主要用于预热基底和蒸发物料。由于电 子束直接加热蒸发材料, 与蒸发材料接触的坩埚可 能受到高温的影响而与蒸发材料发生化学反应, 会 污染涂层, 因此采用循环水冷却铜坩埚, 同时在坩埚 下方安装了可以升降的进给 ( 料 ) 系统, 以使被蒸发
美国在80年代初率先取得突破随后德国俄罗斯和乌克兰也获得了成1920电子束物理气相沉积法的沉积原理电子束物理气相沉积的工作原理为首先用机械泵和扩散泵将设备的真空室抽取真空当真空室的真空度达到一定要求后电子枪开始发射电子束直接照射到水冷坩埚中被蒸发的物料上利用电子束的能量加热并气化材料材料蒸气以原子或分子的形式慢慢沉积到基体上形成涂层
为了改善等离子喷涂法制备热障涂层的不足, 自 20世纪 70年代起, 国内外开展了电子束物理气 相沉积 ( E lectron bean - physical vapo r deposition EB - PVD )设备和工艺的研究。美国在 80年代初率先 取得突破, 随后德国、俄罗斯和乌克 兰也获得了成 功 。 [ 19, 20 ] 3 1 电子束物理气相沉积法的沉积原理
电子束物理气相沉积的工作原理为, 首先用机 械泵和扩散泵将设备的真空室抽取真空, 当真空室 的真空度达到一定要求后, 电子枪开始发射电子束, 直接照射到水冷坩埚中被蒸发的物料上, 利用电子 束的能量加热并气化材料, 材料蒸气以原子或分子 的形式慢慢沉积到基 体上形成涂层。在制备过程 中, 为了提高涂层与基底的结合力, 通常在制备热障 涂层时对基底加热。图 3为电子束物理气相沉积工 艺设备主真空室的结构示意图。
热障涂层材料的研究和发展
热障涂层材料的研究与发展４１０厂张焰段绪海王世林杨秋生摘要热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。
这不仅因为采用热障涂层结构，可以使航空发动机的气冷高温金属部件的温度降低５０－－－－２００℃，显著改善高温部件的耐久性，为航空工业的发展带来极大的便利，同时，这一研究在民用领域也存在着巨大的潜力。
目前，关于新型涂层材料及其制各工艺的研究工作还在进行。
本文针对热障涂层材料的研究与发展作了一些探讨。
关键词：热障涂层：ＺｒＯ：粉末；喷涂材料～、前言热障涂层的研究开始于５０年代初期，目的是为燃气轮机叶片及火箭发动机提供耐热、抗腐的防护。
６０年代开始应用于航空燃气轮机，但直到７０年代才获得突破性进展，试制成功了在高热通量条件下具有显著隔热作用的热障涂层（ＴＢＣ）。
热障涂层的典型结构是双层ＴＢＣ系统。
在金属基材与表面陶瓷涂层之间喷涂一层结合层。
因为陶瓷涂层与金属基材之间的结合性能较差，采用这种结构后，获得了非常满意的效果。
目前热障涂层主要应用于航空及工业燃气轮机燃烧室及加力燃烧室，并局部应用于燃气轮机的涡轮部分，并可望进一步应用于轮船柴油机、汽车发动机等方面。
热障涂层材料的研究与发展，始终受到人们极大的关注。
近年来，随着航空工业的飞速发展，对航空设备的性能要求越来越高。
现代航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。
为了达到这些目标，主要措施是提高涡轮进口温度，减少发动机结构尺寸和重量。
航空发动机出现后近４０年间，涡轮进口温度平均每年约提高１５℃，而高温合金最高工作温度仅以平均每年１０＂（２左右的速度递增，目前已达到１０５０℃，相当于其熔点的７５％，进～步提高工作温度的潜力已十分有限。
为了满足涡轮进口温度不断提高的要求，在致力于进一步发展新型合金和冷却技术的同时，国际上正在积极发展高温热障涂层技术。
实验表明，应用这种技术可以允许提高燃烧室温度５０－２００。
Ｃ，如果在涡轮叶片上等离子喷涂二氧化锆涂层，则可以提高涡轮进口温度约８０。
EB-PVD在热障涂层中的失效研究分析
EB-PVD TBCs 的 TGO（热生长氧化物）生长失效和 CMAS（钙、镁、铝和硅酸盐）高温侵蚀失
效两种主要机制进行了总结，分析了其失效机制和影响因素，以期为 EB-PVD 在 TBCs 中的
应用提供理论基础。
paper, two main mechanisms of TGO (thermal growth oxides) growth failure and CMAS (calcium,
magnesium, aluminum and silicate) high temperature erosion failure of EB-PVD TBCs were
2.1
TGO 失效机理分析
的迁移以及高温下与环境中的氧气发生化学反应形
成 Al2O3，这是 TGO 的主要组成。粘结涂层中的铝迁
移导致 TGO 和粘结层之间发生一系列复杂的化学反
应，分 3 个阶段进行：
初始阶段：氧元素可以通过陶瓷面层的柱状结构
从环境中进入面层和粘结层之间的界面，从而产生富
氧，足够的氧气会使界面中的铝氧化形成 Al2O3。在这
Key words: thermal barrier coating；EB-PVD；failure；TGO；
CMAS
1
引言
作隔热材料，可降低底层合金的表面温度，以延长部
热 障 涂 层（Thermal barrier coatings，TBCs）的 概
件在高温下的使用寿命，并确保提高涡轮机运行效率
防止热传递到基板材料，保护燃气涡轮机结构载荷免
个阶段，
TGO 层会迅速增长
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
航空发动机作为现代航空航天领域的核心动力装置，其性能的优劣直接关系到飞行器的飞行效率、可靠性和安全性。
而在航空发动机的众多关键部件中，涡轮叶片起着至关重要的作用。
涡轮叶片在高温、高压、高速的恶劣工作环境下运行，承受着巨大的热负荷和机械负荷，因此对其进行有效的防护和隔热至关重要。
热障涂层作为一种有效的防护手段，近年来在航空发动机涡轮叶片领域得到了广泛的研究和应用。
热障涂层的概念最早可以追溯到上世纪五六十年代，当时主要应用于火箭发动机的燃烧室部件。
随着航空技术的不断发展，热障涂层逐渐被引入到航空发动机涡轮叶片上，以提高其耐高温性能和使用寿命。
经过多年的发展，热障涂层技术已经取得了显著的进步，并且在不断地完善和创新。
一、热障涂层的工作原理和性能要求热障涂层的主要作用是降低涡轮叶片表面的温度，从而保护叶片免受高温的损害。
其工作原理是通过在涡轮叶片表面形成一层具有低热导率的涂层，阻挡热量向叶片内部的传导，同时阻止叶片表面的热量向外辐射，从而达到隔热的效果。
热障涂层通常由陶瓷层和金属粘结层组成，陶瓷层具有较高的熔点和低热导率，能够承受高温环境；金属粘结层则起到连接陶瓷层和叶片基体的作用，并且具有良好的高温稳定性和抗氧化性。
热障涂层的性能要求非常严格，主要包括以下几个方面：1. 良好的耐高温性能：能够在航空发动机工作的高温环境下长期稳定运行，不发生熔化、分解或剥落等现象。
2. 较低的热导率：有效地降低叶片表面的温度，提高叶片的热效率。
3. 良好的热稳定性：在温度变化和热循环过程中，涂层不发生开裂、剥落或变形等问题。
4. 良好的抗氧化性和抗腐蚀性能：能够抵抗发动机燃烧气体中的氧化和腐蚀作用，延长涂层的使用寿命。
5. 与叶片基体良好的结合力：确保涂层在长期的工作过程中不脱落。
6. 较低的热膨胀系数：与叶片基体的热膨胀系数相匹配，减少因热应力引起的涂层开裂和剥落。
二、热障涂层的制备方法目前，常用的热障涂层制备方法主要有等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂、物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）等。
热障涂层的研究与应用
热障涂层的研究与应用热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种应用广泛的高温结构表面涂层，具有优异的隔热性能和耐热性能，被广泛应用于航空航天、汽车、能源等领域。
本文将就热障涂层的研究现状、材料组成、制备工艺以及在不同领域的应用进行探讨。
一、研究现状热障涂层的研究始于20世纪60年代，随着材料科学和表面工程技术的不断发展，热障涂层的性能得到了显著提升。
目前，研究重点主要集中在提高热障涂层的隔热性能、耐热性能和耐氧化性能，以满足高温工况下材料的需求。
同时，研究人员还致力于开发新型热障涂层材料，提高其使用寿命和稳定性。
二、材料组成热障涂层通常由多层结构组成，包括热障层、粘结层和底层基材。
其中，热障层是热障涂层的核心部分，主要由氧化铝、氧化锆等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能和耐热性能。
粘结层用于连接热障层和基材，通常采用镍基合金等材料。
底层基材则是被涂覆热障涂层的金属基材，如钛合金、镍基合金等。
三、制备工艺热障涂层的制备工艺主要包括热喷涂法、物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）等。
热喷涂法是目前应用最为广泛的制备工艺，通过喷涂设备将预先制备好的涂层材料喷涂在基材表面，形成热障涂层。
PVD和CVD则是通过物理或化学方法在基材表面沉积涂层材料，制备出高质量的热障涂层。
四、应用领域热障涂层在航空航天领域被广泛应用于航空发动机、涡轮叶片等高温零部件，能够有效提高零部件的耐热性能和使用寿命。
在汽车领域，热障涂层被应用于汽车发动机缸体、排气管等部件，提高了发动机的燃烧效率和排放性能。
此外，热障涂层还被应用于能源领域的燃气轮机、燃烧器等设备，提高了设备的工作效率和稳定性。
综上所述，热障涂层作为一种重要的高温结构表面涂层，在各个领域都发挥着重要作用。
随着材料科学和表面工程技术的不断进步，热障涂层的性能将得到进一步提升，为高温工况下材料的应用提供更加可靠的保障。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空的核心部件，其性能的优劣直接影响着飞行器的飞行效率和安全性。
而航空发动机涡轮叶片是发动机中最重要的部分之一，其工作环境极其恶劣，需要承受高温高压等极端条件。
为了保证涡轮叶片的寿命和可靠性，热障涂层技术被广泛应用于航空发动机涡轮叶片上。
二、热障涂层的概念和分类热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBC）是一种能够提供保护和绝缘作用的表面覆盖层，在高温环境下能够有效地减少受到热应力和氧化腐蚀等因素的影响。
根据不同的制备方法和材料组成，热障涂层可以分为多种类型，如YSZ（氧化锆稳定化）陶瓷涂层、MCrAlY（M 表示金属元素，Cr表示铬元素，Al表示铝元素，Y表示钇元素）金属涂层、La2Zr2O7（氧化镧锆）涂层等。
三、热障涂层的应用热障涂层技术已经广泛应用于航空发动机涡轮叶片上，主要是为了提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能。
热障涂层可以有效地减少叶片表面温度，降低热应力，延长叶片寿命。
同时，热障涂层还可以提供绝缘作用，防止热量传递到叶片内部，从而保护叶片的材料性能。
四、热障涂层的制备方法和材料选择制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、电弧等离子喷涂法、等离子体喷涂法等。
不同的制备方法有着各自的优缺点，在选择时需要考虑到生产效率、成本、质量等因素。
材料选择方面需要考虑到其耐高温性能、导热系数、化学稳定性等因素。
五、发展趋势未来航空发动机对于热障涂层技术的需求将会更加迫切，同时也面临着更高的要求。
未来热障涂层需要具备更高的耐高温性能、更低的导热系数、更好的耐氧化腐蚀性能等特点。
此外，热障涂层还需要具备可持续性和环保性，在制备过程中减少对环境的影响。
六、结论航空发动机涡轮叶片热障涂层技术是目前航空领域中不可或缺的一部分。
通过选择合适的制备方法和材料，可以有效地提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能，延长其使用寿命。
热障涂层的研究进展
低压等离子喷涂（ Ｌ Ｐ Ｐ Ｓ — Ｔ Ｅ ） 等一些新技术 。
１ ． ３ 热障涂层的失效模式
早期 失效模式有 ：①涂层粘接强度低 ；②工作过
程 中振动应力大 ；③制备操作及装配过程损伤 。随使
用时 间和循环数的退化模式有 ：①粘接 层的氧化 ；②
由于 Ｙ Ｓ Ｚ 低 的热 导率 和相 对较 高 的线胀 系数 ，使 其
目前新 型 陶瓷热障 涂层 材料 的研 究有 两个 主要 热 点方 向。第 一 个方 向是 德 国Ｊ ｕ ｌ ｉ ｃ ｈ 研 究 中心首 先
提 出的稀 土锆酸盐 类材料 Ａ Ｂ ： ０ （ Ａ ＝ Ｌ ａ 、Ｎ ｄ 、Ｓ ｍ、
・ ： 囊层培栩 ｂ ： 拳 眉螭杓 ｃ ： 搏庭耋 骞 构
成的 ，通 常为一致密 的Ａ１ 。 ０， 薄膜 ，在随后的工作过 程 中能够 阻止 外部氧 气 向Ｂ Ｃ层内部和基体 的扩散 ， 起到 保护 基体 （ 零 件） 的作 用 ；④ 陶瓷面 层（ Ｔ Ｃ：Ｔ ｏ ｐ
Ｃ ｏ ａ ｔ ） ，一般为６ ｗ ｔ ％－ －８ ｗ ｔ ％Ｙ２ Ｏ ３ －Ｚ ｒ Ｏ ２ （ Ｙ Ｓ Ｚ ） ，正是
Ｇｄ 、Ｄｙ 、Ｅ ｒ 、Ｙ ｂ 等 稀土 元 素 ，Ｂ ＝ Ｃｅ 、Ｚ ｒ 等） 。 另 外 一个 方 向是 通过 在现 有ＹＳ Ｚ 热障涂 层材 料 中掺杂
图１ 热障涂层结构示意图
作 者 简介 ：张文毓（ １ ９ ８ ２ 一） ，女 ，高级工程师 ，现主要从 事情报研 究工作 。
全面腐蚀控制 第２ ９ 卷第 １ Ｏ 期２ ０ １ ５ 年１ ０ 月
（ ３ ） 激光重熔或溶敷热障涂层 ； （ ４ ） 自蔓延高温合成法（ Ｓ Ｈ Ｓ ） ￣ Ｉ Ｊ 备热障涂层 ； （ ５ ） 基于热喷涂技术制备 的热障涂 层 ；
热障涂层材料制备及失效机理的研究进展
０ 引 言
热 障涂层 （Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ，简 称 ＴＢＣｓ）是为 了进 一 步提 高耐热 合 金材料 （铁基 合 金 、镍基 合金 、钻基 合 金）的使 用温 度而 发展起 来 的涂层技术 ，该涂层具有热传导 系数低 、密度 小 、耐腐蚀 、抗氧化 、强度高等优点ｕ ，被应用于 航空航天 、燃 气发 电等众多领域 。 目前而 言 ，超 强耐热合金材料 的最高工作温度不超过１２００ ｏｆ， 而一些在极端 条件下工作部件 的工作温度远远 超 过 这 个 温 度 ， 。如 燃 气 发 动 机 的 燃 烧 室 和 涡 轮 机 叶片 ，其工作温度可达１６００—２０００ ｏＣ。因此 ，在材 料本 身强度满足条件 的情况下 ，利用热传 导率低 的热 障涂层做为表面层 ，对基体材料 具有隔热保 护 的作 用。２０世纪６０年代 ，热 障涂层在火箭喷嘴 和燃气 轮机上的成功应用 ，把 人们对 热障涂层 的 研究逐渐推向一个高峰 。ＴＢＣｓ不仅可以降低金属
在高温工作下 的温度 ，而且可以对工件起到氧化与 腐蚀保护作用。热障涂层的工作环境较为复杂 ，在 工作过程 中既要受到热冲击载荷 ，又会受到机械载 荷 ，其工作以及非工作状态会使得涂层多次经受冷 热循环 ，涂层容易产生裂纹。在裂纹扩展及机械载 荷的作用下涂层容易剥落 、失效 ，使用寿命降低 。 时效 处理 及 纳米 技术 的发 展赋 予 了涂层 良好 的机械 性能和热力学性能 ，尤其是纳米涂层技术 ，它不仅 提高了硬度和摩擦磨损性能 ，还显著改善了涂层的 韧性 、抗裂纹扩展能力及热稳定性等 ，满足了各种 特殊应用需求 ，因此 引起了人们的极大关注［３－５］。 为满足工作条件对材料的苛刻要求 ，研究开发具有 耐高温氧化 、抗烧结 、隔热性好的热障涂层已成为 迫 切需 要 。
高性能热障涂层的制备及应用研究
高性能热障涂层的制备及应用研究现代工业中，机械设备在工作中往往会因长时间的高温和高压等环境条件而出现失效，这给生产过程和产品安全带来了很大的风险。
然而，高性能热障涂层技术的出现为此提供了解决方案。
本文将介绍热障涂层的概念和种类，以及它们在现代机械加工和航空领域的应用。
一、热障涂层的概念和种类热障涂层是一种能够提高材料抗高温性能的技术，它可以降低材料表面的温度，从而减少或防止材料因高温所引起的蠕变、热裂纹和氧化等失效现象。
热障涂层通常分为两种类型：陶瓷涂层和金属涂层。
1. 陶瓷涂层陶瓷涂层通常由氧化铝、氧化锆、氧化钇和钛酸锆等材料制成，具有很高的热稳定性和化学稳定性，适用于各种复杂的高温环境。
它们的主要作用是减少材料表面的热流密度，降低材料表面温度，从而减少热应力和热氧化引起的热开裂和氧化等失效现象。
2. 金属涂层金属涂层通常由铝、铬、钼、镍、钛和钽等金属以及它们的合金制造。
金属涂层可以提高材料表面的氧化和腐蚀性能，并且降低材料表面与外界环境之间的摩擦系数，从而减少磨损和接触疲劳。
二、热障涂层在机械加工领域的应用在机械工业中，热障涂层技术被广泛应用于涡轮机、汽车发动机、钻头、车削刀具和切割刀具等高温零部件的制造。
热障涂层可以提高零部件的高温性能，延长其使用寿命和降低故障率，提高机械加工的生产效率和产品质量。
例如，在汽车制造业中，发动机缸体的材料是一种高硅铝合金，这种材料可以提高发动机的性能和效率，但是在长时间的使用中却会发生疲劳和开裂等问题。
因此，通过热障涂层技术可以在发动机的缸体表面形成一个陶瓷涂层，从而降低表面温度，提高缸体的耐高温性能，延长缸体的使用寿命。
三、热障涂层在航空领域的应用在航空航天领域，热障涂层技术的应用范围更加广泛。
热障涂层可以应用于发动机、涡轮叶片、燃烧室、液推火箭等关键部位，提高航空器的高温性能，保证其正常运作和安全飞行。
例如，在高超声速飞行器的研究中，热障涂层是必不可少的关键技术之一。
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收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表面强化及器件制造.Email:x ingyazhe@gm 热障涂层的制备及其失效的研究现状邢亚哲,郝建民(长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064)摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。
回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。
关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atingsXING Ya 2zhe,HAO Jian 2min(School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China)Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail.K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying;Fa ilure mechanism随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。
热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。
典型的TBCs 在结构上包含四个部分[1]:¹基体,即被保护的零件;º金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);»热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;¼陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ),正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。
目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。
为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。
而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。
1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。
对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。
随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC5铸造技术607/2009邢亚哲等:热障涂层的制备及其失效的研究现状层内结合,消除了BC层内的失效。
结合层的强化使涂层的失效从BC层内开裂转变到TGO与APS YSZ 涂层的界面附近的YSZ层内脱落。
这种失效机理的转变伴随着TBCs的使用性能与寿命的大幅度提高[5],这类T BCs称为第二代T BCs。
随着T BCs的不断发展,发现采用电子束物理气相沉积(EB2PVD:Electron Beam Physical Vapor Dep2 osition)技术制备YSZ TC层(又称第三代TBCs),涂层结构呈现从界面生长的连续柱状晶,如图1所示。
研究表明,这类TBCs涂层失效方式转变为由BC层表面高温下增厚的TGO引起,开裂发生在TGO与BC层界面、或T GO内、或YSZ与T GO界面[7~9]。
图1EB2P VD热障涂层的断面组织[6]Fig.1Micr ograph of the EB2PVD coating in cross2section[6]2T BCs的制备工艺2.1TC层制备工艺目前常用于制备TC层的主要工艺为等离子喷涂和电子束物理气相沉积[1],这也可以从前面TBCs的发展历程看出。
APS YSZ之所以广泛用于航空发动机、燃气轮机发动机的热障涂层,首先取决于等离子喷涂方法具有可以灵活地在任意形状表面制备陶瓷涂层的这一特点,其次,由于等离子喷涂陶瓷涂层的粒子层间结合有限且单个粒子中分布着网状微裂纹[10],致使陶瓷涂层的表观弹性模量低,呈现较好的缓和热应变的能力,加上YSZ具有相对较高的热膨胀系数,从而使等离子喷涂呈现良好的高抗热震性能,表现为在反复热循环工作条件下具有较长的使用寿命。
再次,构成涂层的扁平粒子之间大量的未结合界面,进一步降低了YSZ涂层的热传导率,显著提高隔热热障效果。
与APS YSZ涂层相比,正是由于EB2PVD YSZ 层与界面垂直的连续柱状晶的结构特征(图1),不仅消除了APS YSZ涂层中粒子层间的弱结合,而且通过连续生长的柱状晶强化了YSZ涂层在与界面垂直方向上的断裂韧性,使得YSZ的抗开裂能力显著提高。
对于EB2PVD YSZ,YSZ涂层的柱状晶粒之间存在空隙、结合较弱,这种结构具有良好的热应变缓和能力,这也是提高EB2PVD热障涂层寿命的一个主要方面。
然而,EB2PVD涂层的热传导率高,隔热效果不如等离子喷涂层。
研究发现[11],可以通过调整基体方向获得低热导率的EB2PVD YSZ层。
另外,涂层寿命受表面形貌的影响显著[12,13],致使涂层寿命数据分散较大,甚至长短相差高达10倍[13]。
2.2BC层制备工艺目前常用于制备MCrAlY BC层的工艺有LPPS、EB2PVD和超音速火焰喷涂(H VOF:H igh Velocity Oxy2fuel)等。
由于孔洞、氧化物夹杂和裂纹都是氧的快速扩散通道,降低了涂层抗高温氧化和高温腐蚀性能。
因此,低孔隙率和低含氧量的MCrA lY BC层通常具有良好的抗高温氧化和热腐蚀性能。
当涂层中氧化物含量较高时,说明涂层中有限的Al在喷涂过程中就会被消耗掉一部分而可能造成MCrAlY涂层中贫Al,导致在高温氧化过程中形成多孔的含Cr和Co 的尖晶石氧化物、Y3Al5O12和Y2O3等氧化物[9,14],这些氧化物相的形成不利于T GO的完整性,并通过提供氧的快速通道而加速涂层的局部氧化。
LPPS工艺由于生产效率高、涂层厚度可调范围大、与基体的结合较好且致密,同时具有较低的孔隙率,现已成为MCrAlY涂层的主要制备方法。
但是,相对于其它涂层制备技术而言,LPPS制备涂层所需成本较高[2,9,15]。
相比热喷涂技术,EB2PVD的缺点是设备复杂,沉积速度低,不容易沉积大面积试样,涂层成分严重地受各元素蒸气压的影响而不易控制[15]。
对于H VOF制备的MCrA lY涂层,因H VOF具有粉末颗粒沉积速度高的优点,涂层密度,结合强度、硬度和耐磨性均优于PS MCrAlY涂层,然而喷涂过程是在高氧环境气氛中进行,由于Al和Y与氧具有较高的亲和性,因此在喷涂过程中不可避免地会产生氧化[16]。
研究表明[17],H VOF的工艺参数均影响涂层中氧化物含量,其中喷涂距离、氧燃比和送粉率的影响最为显著。
进一步研究表明[18],H VOF MCrAlY 涂层中的氧化物含量随着喷涂粉末粒径的减小而升高。
Tang等人[19]的研究发现氧化物的含量越低,越有利于A2A l2O3保护性氧化膜的生成,因其低的氧离子扩散率和强的附着能力[2],该成分的致密T GO膜才可以起到明显的抗氧化失效的作用。
3T BCs失效的影响因素及其失效机理服役中的T BCs系统的主要失效方式是涂层的剥落,失效过程是微裂纹的产生、扩展、联接和大裂纹增殖的过程,当大裂纹继续扩展联接后,将引起陶瓷涂层#923#出现边缘剥离(Edge Delamination)或鼓泡剥离(Buckle Delamination)[2,9],最终导致涂层失效。
热障涂层剥落的主要原因是其服役过程中产生的应力[9,23,24]:由温度梯度引起的热应力,热膨胀不匹配引起的热应力,T GO的热生长应力及相变应力。
温度梯度与热膨胀不匹配是热障涂层体系在其应用中必然存在的现象。